1. Pomiar częstotliwości z wykorzystaniem licznik

Ćwiczenie 23. Cyfrowe pomiary czasu i częstotliwości.
Program ćwiczenia:
1. Pomiar częstotliwości z wykorzystaniem licznika
2. Pomiar okresu z wykorzystaniem licznika
3. Obserwacja działania pętli synchronizacji fazowej
4. Pomiar współczynnika wypełnienia z wykorzystaniem licznika
Wyposażenie stanowiska:
1. Licznik cyfrowy wraz z obwodami wejściowymi oraz układem pętli synchronizacji fazowej
2. Częstościomierz Dagatron 8030 lub PFL30 wykorzystywany jako źródło odniesienia
3. Dzielnik częstotliwości z 5 wyjściami
4. Generator sygnałów dowolnych Rigol DG1022.
5. Oscyloskop cyfrowy Rigol DS1052E
Literatura:
[1] A. Chwaleba, M.Poniński, A.Siedlecki - „Metrologia elektryczna”
[2] Marek M. Stabrowski - „Miernictwo elektryczne. Cyfrowa technika pomiarowa”
[3] P.Lesiak, D.Świsulski - „Komputerowa technika pomiarowa”
Dokumentacja techniczna przyrządów pomiarowych:
Instrukcje obsługi przyrządów Rigol: http://www.kmet.agh.edu.pl -> dydaktyka -> Materiały dla
studentów
Informacja na temat niniejszej instrukcji:
Czcionką pogrubioną zaznaczono rzeczy, na które należy zwrócić szczególną uwagę, a czcionką
pochyloną – najistotniejsze zagadnienia do przemyślenia po wykonaniu danego punktu ćwiczenia.
Odpowiedzi na te zagadnienia powinny stanowić podstawę przy formułowaniu wniosków z
przeprowadzonych eksperymentów.
Zakres wymaganych wiadomości do testu:
● Budowa i zasada działania częstościomierza cyfrowego
● Budowa i zasada działania cyfrowego miernika okresu
● Właściwości pętli synchronizacji fazowej
1. Licznik cyfrowy, dzielnik częstotliwości
Używany w ćwiczeniu układ licznika został zbudowany w oparciu o układ FPGA; na wspólnej płytce
drukowanej umieszczono też obwody wejściowe (kondycjonowania sygnałów), obwody wyjściowe
(buforujące) oraz układ pętli synchronizacji fazowej 74HC4046. Zliczona wartość jest prezentowana na
wbudowanym wyświetlaczu 7-segmentowym o długości 8 cyfr. Licznik posiada dwa tryby pracy. W trybie
f/T zawartość licznika jest przepisywana do rejestru na zboczu narastającym sygnału bramkującego, a
licznik jest kasowany następnym zboczem narastającym. W ten sposób zliczanie następuje w okresie
sygnału z wejścia GATE, pozwalając na pomiar czasu i częstotliwości. W trybie φ/D licznik jest zerowany
również zboczem narastającym sygnału GATE, ale jego zawartość jest zapisywana do rejestru przy
zboczu opadającym. W ten sposób zliczany jest tylko czas utrzymywania stanu wysokiego, co pozwala na
pomiar fazy i wypełnienia. Schemat blokowy urządzenia przedstawia rysunek 2.
ukł.ster.
GATE
CLK
AND
licznik
rejestr
wyświetlacz
Rysunek 1 Schemat blokowy licznika cyfrowego stosowanego w ćwiczeniu
Aby z wykorzystaniem licznika zbudować miernik częstotliwości lub okresu, należy dostarczyć do niego
odpowiednio sygnał czasu lub częstotliwości wzorcowej. Źródłem sygnału częstotliwości wzorcowej jest
znajdujący się na stanowisku częstościomierz Dagatron lub PFL30; na jego tylnej ściance znajduje się
gniazdo BNC, z którego można pobrać sygnał CMOS o częstotliwości 10MHz, wytwarzany przez
generator częstościomierza. Ponieważ częstotliwość 10 MHz jest zbyt wysoka dla potrzeb ćwiczenia,
sygnał jest doprowadzony do dzielnika częstotliwości. Dzielnik częstotliwości jest wyposażony w pięć
wyjść, dostarczających sygnałów CMOS 3.3V. Częstotliwość sygnałów wyjściowych względem
częstotliwości sygnału wejściowego fi (w nawiasie podano częstotliwość i wypełnienie dla sygnału
wejściowego 10 MHz):
● 1/10 (1 MHz, wypełnienie 50 %)
● 1/100 (100 kHz, wypełnienie 50 %)
● 1/106 (10 Hz, wypełnienie 50 %)
● 1/107 (1 pps = 1 Hz, wypełnienie 10%)
● 1/108 (0,1 pps = 0,1 Hz, wypełnienie 1%)
2. Pomiar częstotliwości z wykorzystaniem licznika
Aby z wykorzystaniem licznika cyfrowego zbudować układ miernika częstotliwości, należy połączyć układ
według schematu przedstawionego na rysunku 4.
BNC
Dzielnik
Częstotliwości
10 MHz OUT
Częstościomierz
Dagatron 8030
lub PFL30
BNC
GATE
BNC
Licznik
cyfrowy
CLK
G
Rysunek 2 Układ do pomiaru częstotliwości
W układzie tym sygnał mierzony jest doprowadzony do wejścia CLK licznika, a wzorcowy sygnał czasu do wejścia bramkucjącego GATE. Źródłem sygnału badanego jest generator Rigol DG1022. Ponieważ nie
wykorzystujemy obwodów wejściowych, sygnał badany powinien być w standardzie CMOS lub TTL.
Częstościomierz Dagatron lub PFL30 służy wyłącznie jako źródło sygnału odniesienia.
1) Połączyć układ według rysunku 2, upewniwszy się że wyjście generatora Rigol DG1022 jest wyłączone
(skorzystać z wyjścia 1). Do wejścia dzielnika częstotliwości podłączyć sygnał wzorcowy 10 MHz z
gniazda na tylnej ściance częstościomierza Dagatron 8030. Sygnał z wyjścia 1/10 7 dzielnika podłączyć
do wejścia GATE licznika. Zanotować w tabelce sprawozdania jaka jest częstotliwość sygnału na
wyjściu 1/107. Przełączyć licznik w tryb f/T przełącznikiem na tyle obudowy.
2) Ustawić w generatorze sygnał prostokątny (przycisk Square ), amplitudę 3Vpp (zakładka Ampl,
następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem), składową stałą 1,5V DC (zakładka Offset ,
następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i częstotliwość 1 Hz (zakładka Freq , następnie
wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście przyciskiem Output sąsiadującym ze
złączem wyjściowym
3) Ustawiać w generatorze kolejno częstotliwości: 1 Hz, 5.5 Hz, 1 kHz, 5 MHz (zakładka Freq ). Dla każdej
z nastawionych wartości zanotować wartość zliczoną przez licznik. UWAGA: ze względów
konstrukcyjnych wskazanie licznika jest odświeżane do drugi impuls na wejściu GATE. Z tego
względu po każdej zmianie częstotliwości należy odczekać trzy okresy bramkowania przed
zapisaniem wyniku.
4) Punkt 3 powtórzyć dla sygnału z wyjścia 1/108 podłączonego do wejścia GATE licznika. Wszystkie
wyniki zanotować w tabeli w sprawozdaniu.
Który okres sygnału bramkującego daje większą rozdzielczość? W którym przypadku wynik odświeżany
jest najczęściej (sygnalizowane diodą GATE licznika)? Od czego zależy maksymalna częstotliwość, którą
można zmierzyć z użyciem licznika?
3. Pomiar okresu z wykorzystaniem licznika
W celu dokonania pomiaru okresu z wykorzystaniem licznika, należy połączyć układ według schematu z
rysunku 3.
BNC
Dzielnik
Częstotliwości
10 MHz OUT
Częstościomierz
Dagatron 8030
lub PFL30
BNC
BNC
GATE
Licznik
cyfrowy
CLK
G
Rysunek 3 Układ do pomiaru okresu
W układzie tym sygnał mierzony jest doprowadzony do wejścia bramkującego GATE licznika, a do
wejścia CLK doprowadza się sygnał o częstotliwości wzorcowej. Jest to jedyna różnica pomiędzy tym a
poprzednim sposobem połączenia. Licznik powinien pracować w trybie f/T.
1) Połączyć układ według rysunku 5, upewniwszy się że wyjście generatora Rigol jest wyłączone (przycisk
Output nie jest zaświecony). Do wejścia dzielnika częstotliwości podłączyć sygnał 10 MHz z gniazda na
tylnej ściance częstościomierza. Do wejścia CLK licznika podłączyć sygnał z wyjścia 1/100 dzielnika
częstotliwości. Przełączyć licznik w tryb f/T przełącznikiem na tyle obudowy.
2) Ustawić w generatorze sygnał prostokątny (przycisk Square ), amplitudę 3Vp-p (zakładka Ampl,
następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem), składową stałą 1,5V DC (zakładka Offset ,
następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i okres 1 s (zakładka Freq dwukrotnie - zmieni
opis na Period , następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście przyciskiem
Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym.
3) Ustawiać w generatorze kolejno okresy 5s, 0.1s, 1ms, 500ns (zakładka Period , następnie wpisać z
klawiatury lub ustawić pokrętłem). W tabeli w sprawozdaniu dla każdego ustawionego okresu zapisać
wartość zliczoną przez licznik i wskazanie częstościomierza Dagatron.
3) Punkt 4 powtórzyć dla sygnału odniesienia z wyjścia 1/10 dzielnika. Wyniki zanotować w tabeli w
sprawozdaniu.
Od czego zależy minimalny i maksymalny okres sygnału, który można zmierzyć w taki sposób?
4. Obserwacja działania pętli synchronizacji fazowej
Układ pętli synchronizacji fazowej jest zabudowany wraz z układem licznika na jednej płytce drukowanej,
jednak jego wejścia i wyjścia są wyprowadzone wyłącznie na zewnątrz obudowy. Pozwala to
obserwować działanie pętli synchronizacji fazowej niezależnie od działania licznika. Schemat połączeń
układu do badania pętli przedstawia rysunek 4.
OSC
CH1
CH2
EXT
BNC
BNC
PLL OUT
BNC
PLL IN
Licznik
cyfrowy
G
Rysunek 4 Obserwacja działania pętli synchronizacji fazowej
1) Połączyć układ według rysunku 4, upewniwszy się że wyjście generatora Rigol jest wyłączone (przycisk
Output nie jest zaświecony).
2) W oscyloskopie włączyć oba kanały (przyciski CH1 i CH2 obok ekranu). Pokrętłem SCALE z grupy
HORIZONTAL ustawić szybkość odchylania poziomego na 50 μs/dz. Pokrętłem SCALE z grupy
HORIZONTAL ustawić kolejno wzmocnienie w obu kanałach (wybieranych przyciskami CH1 i CH2) na
1 V/dz. Oscyloskop zsynchronizować do kanału 1 (włączyć menu synchronizacji przyciskiem Menu z
sekcji TRIGGER; następnie wybrać SOURCE -> CH1 oraz SLOPE -> RISING. Włączyć pomiar
częstotliwości w kanale 2 (Przycisk Measure, następnie z menu Source wybrać CH2 i z menu Time
wybrać Freq, zatwierdzając wciśnięciem pokrętła wybierania).
3) Ustawić w generatorze sygnał prostokątny (przycisk Square ), amplitudę 3V (zakładka Ampl,
następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem), składową stałą 1,5V (zakładka Offset ,
następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i częstotliwość 100 Hz (zakładka Freq ,
następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem).
4) Włączyć wyjście generatora przyciskiem Output sąsiadującym ze złączem wyjściowym.
5) Zmieniać częstotliwość generatora kolejno na 80 Hz, 100 Hz, 125 Hz, 140 Hz, 160 Hz i 200 Hz (zakładka
Freq , następnie wpisać z klawiatury). Dla każdej ustawionej częstotliwości zapisywać w sprawozdaniu
częstotliwość sygnału wyjściowego pętli synchronizacji fazowej. UWAGA: po zmianie częstotliwości
częstotliwość wyjściowa może wahać się kilka sekund. Każdorazowo należy odczekać ten czas przed
zapisaniem wartości. Jeżeli zmiany utrzymują się po kilku sekundach, oznacza to że częstotliwość
wyjściowa oscyluje. W takiej sytuacji zapisać najczęściej występującą wartość. Policzyć stosunki
częstotliwości wyjściowej do wejściowej.
Częstotliwość sygnału wyjściowego pętli powinna być 100 razy większa od częstotliwości wejściowej. Czy
pętla synchronizacji fazowej pracuje poprawnie dla każdej ze zbadanych częstotliwości?
5. Pomiar współczynnika wypełnienia z wykorzystaniem licznika
Sposób połączenia układu do pomiaru współczynnika wypełnienia z wykorzystaniem licznika i pętli
synchronizacji fazowej przedstawia rysunek 5.
CLK
BNC
BNC
BNC
BNC
PLL OUT
PLL IN
Licznik
cyfrowy
GATE
G
Rysunek 5 Układ do pomiaru przesunięcia fazowego
W układzie tym sygnałem bramkującym jest sygnał badany, a sygnałem zegarowym – dostarczony przez
pętlę synchronizacji fazowej synchroniczny z nim sygnał o stukrotnie wyższej częstotliwości. Licznik
powinien pracować w trybie φ/D.
1) Połączyć układ pomiarowy zgodnie z rysunkiem 5, upewniwszy się, że wyjście generatora jest
wyłączone (przycisk Output nie jest zaświecony). Przełączyć licznik w tryb φ/D przełącznikiem na
tyle obudowy.
2) Ustawić w generatorze sygnał impulsowy (przycisk Pulse ), amplitudę 3V (zakładka Ampl, następnie
wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem), składową stałą 1,5V (zakładka Offset , następnie wpisać
z klawiatury lub ustawić pokrętłem) i częstotliwość 125 Hz (zakładka Freq , następnie wpisać z
klawiatury lub ustawić pokrętłem). Ustawić współczynnik wypełnienia sygnału na 10% (zakładka
Duty , następnie wpisać z klawiatury lub ustawić pokrętłem). Włączyć wyjście generatora przyciskiem
Output 1.
3) Ustawiać kolejno współczynniki wypełnienia: 50%, 10%, 90%, 50.3%, 50.5%, 50.8%. Każdorazowo
zanotować w tabeli czy wskazanie zmienia się w trakcie pomiaru oraz najczęściej wskazywaną przez
licznik wartość.
Jaka jest rozdzielczość licznika przy tym pomiarze? Jakie są przyczyny wahań wskazania licznika?
Zaproponuj sposób zwiększenia rozdzielczości licznika.